水輪機結構與功能的優化和設計

摘 要：水輪機是一種可以將水流能量轉換成機械能的透平機械，在我國已有100多年的發展歷史。隨著社會的發展和科技的進步，水輪機已經被廣泛應用到了各大領域，發揮著越來越重要的作用。與之相應，人們對水輪機結構和功能的要求也越來越高。文章將根據水輪機的實際情況展開研究，積極探討其結構設計，為水輪機的結構和功能優化提供助力。

關鍵詞：水輪機；結構與功能；優化設計

水輪機作為水電行業最重要的設備之一，具有其它設備無法替代的優點，它不僅可以利用綠色能源即水力資源實現節能環保，而且與我國當前水電行業的發展相得益彰。在經濟飛速大發展的社會環境下，我國水輪機的應用領域越來越廣泛，對其質量要求也更加的嚴格，因而迫切需要相關人員加大對水輪機結構的研究和創新，不斷優化其功能。

1 水輪機的類型

1.1 軸流式

軸流式水輪機是根據傳統混流式水輪機的結構和性能，通過技術創新改進而來的，它的單機容量非常大，并且采用單軸轉動的模式。在設計過程中，軸流式水輪機利用接力器實現軸承調節與對角布置，從而大大提升了水輪機的性能，使其應用價值得到了更有效的體現。例如，著名的高壩洲水輪機與迪什林水輪機等都是軸流式水輪機的典型代表。高壩洲水輪機的座環采用鑄焊結構，這樣的結構形式可以承受住水輪機運行過程中產生的強大水壓。另外，高壩洲水輪機的葉片邊緣采用了具有抗蝕效果的裙邊結構，這種結構設計既提高了水輪機的運轉效率，又提升了水力性能。再如迪什林水輪機具有相對較大的單機容量，它利用接力器來布置對角，并通過軸承斜楔加以調節，使水輪機的整體布局更加合理，同時也提升了軸流式水輪機的經濟指標。

1.2 貫流式

我國水力資源主要有兩種，分別是低水頭水力資源與高水頭水力資源，貫流式水輪機正是為了適應低水頭水力資源而出現的。相比之下，我國低水頭水力資源更加充裕，因而在我國貫流式水輪機的應用更為廣泛，其發展前景也更加明朗。

當前，我國不少發電站均應用了貫流式的水輪機。例如，石溪口電站的水輪機通過利用多個固定的導葉來支撐座環，并且座環的支腳連接著混凝土的支撐點，另外，石溪口電站水輪機使用的轉輪缸動結構是無操作架式的，其采用的是在排水錐內設置轉輪接力器的設計方式。再如，黃泥灘和流灘壩水輪機也是典型的貫流式，它們的設計參數均按照國際專業標準，在結構設計方面更加的精準，具有良好的運行效果。

1.3 混流式

相比其它類型的水輪機，我國混流式水輪機的整體水準更為先進。它在廣泛借鑒國內外先進理論和技術的基礎之上，不斷地優化其結構和功能，可以與當下世界先進水平相媲美。比如，李家峽電站的水輪機就是典型的混流式水輪機。為了降低運輸難度，其轉輪設計為分瓣式結構，并且座環為平行式，轉輪和主軸可以互換，非常靈活。再如，漫灣電站的水輪機也是比較先進的混流式，它利用頂蓋取水技術達到冷卻的效果，將補氣裝置設置在主軸中心，并且在水輪機內部構造的主軸與轉輪間設計了精巧的摩擦鍵結構。近年來，研究人員不斷地更新和優化混流式水輪機的結構和性能，以不斷提高混流式水輪機的工作效率。

1.4 沖擊式

沖擊式水輪機屬于水力原動機的一種經典類型，具有抽水蓄能的特點，能夠通過專門的導水裝置將水能轉換成有效的機械能，然后再經過相應的轉換得到電能。相比之下，沖擊式水輪機的能量轉化過程比較繁瑣，機組震動也較大，因而在安裝設計過程中相對困難。但是，沖擊式水輪機也具有自身的優點，比如重量較輕，成本也在不斷降低，所以這種類型的水輪機在實際應用上也較為廣泛。轉輪，噴嘴裝配，配水環管是沖擊式水輪機的幾大重要部件，隨著科學技術發展沖擊式轉輪水斗采用全數控加工，效率提高明顯，噴嘴裝配由以前的彎噴嘴改為直流內控型直噴嘴，噴嘴效率提高，安裝檢修較方便。

2 現代水輪機結構及功能的優化設計

2.1 蝸殼、座環

隨著科學技術的迅猛發展，我國水輪機的技術水平逐漸提高，加之研究人員不斷地尋求創新和進步，使得傳統座環、蝸殼等結構得以不斷改進和優化。相較之下，新型的蝸殼、座環等結構設計明顯簡化，在制作上更加方便快捷，并且現代水輪機的機身能夠通過計算機進行下料。另外，新型的水輪機結構不僅保持了傳統結構所具備的同等水力性能，而且其機身各點的受力相對均勻，總體來說，現代水輪機的結構更加堅固和安全。

2.2 轉輪

我國水輪機的轉輪設計水平不斷提升，目前已居于世界領先地位。為了避免因為尺度不合適等因素給運輸過程帶來各種困擾，新型轉輪結構把合分瓣上冠，通過埋入式螺栓將轉輪原先的高度降低，使水輪機可以順暢工作。另外，新型轉輪結構淘汰了傳統的轉輪蓋板，創新性地使用了葉片泵用螺釘連接的先進技術，從而避免了水輪機因過多焊接量而造成的工件變形等問題。

2.3 導葉限位裝置

通過相關的實驗研究得知，導葉異步狀態下的水力矩明顯高于同步狀態下的水利矩。在設計導葉限位裝置時，研究人員應充分考慮到這種情況，不斷優化水輪機結構，防止因轉輪葉片之間的撞擊而使水輪機的運行停止。新型導葉限位裝置不僅設置了導葉全開和全關的限位塊，而且添加了導葉摩擦裝置，使水輪機的運行更加安全和便捷。

2.4 導軸承裝置

導軸承裝置在水輪機的整體結構中起著承載的重要作用。隨著科技的進步，水輪機的導軸承裝置不斷得以改進和優化，能夠最大程度上滿足水輪機在實際應用中的需求。傳統的導軸承裝置已經具備良好的穩定性，研究人員在此基礎上予以進一步創新，通過銷子替代軸承來傳遞徑向力，從而達到提高軸承剛度的效果。另外，為了避免油霧泄露，當前我國的大多數水輪機已開始使用雙層油蓋箱和接觸式密封蓋。

2.5 轉輪與主軸

混流式水輪機的轉輪與主軸可以實現互換，應用起來相對靈活。研究人員在水輪機的轉輪與主軸方面進行研究和創新，有效地改進和優化了水輪機的結構與功能。首先，新型水輪機設計了摩擦傳遞扭矩，讓轉輪與主軸借助摩擦力來傳遞扭矩。用拉伸器或力矩扳手增加連接法蘭的正壓力，從而增加摩擦力，其次，轉輪與主軸都沒有鍵和鍵槽，不需配鍵，保證轉輪的互換性。

2.6 主軸中心孔補氣裝置

作為水輪機運行必不可少的結構裝置，主軸中心孔補氣裝置扮演著相當重要的角色。主軸中心孔補氣裝置可以直接在周邊補氣，應用起來十分方便，而且它還大幅度提高了尾氣管在實際應用過程中的受壓能力，提高了水輪機的性能。例如，漫灣水電站、李家峽水電站等大型水電站均嘗試采用了主軸中心孔補氣裝置，都取得了不錯的應用效果。

3 結束語

縱觀當前國際社會形勢，水資源短缺已成為亟待解決的一大難題，因而，合理的開發和利用水資源具有重大意義。水輪機作為一種可以實現將水能轉換成機械能和電能的動力系統，給人們的生活和工作帶來了諸多的便利。因此，相關人員應該加強對水輪機結構的研究和開發，勇于探索，敢于創新，在結合水輪機實際情況的基礎上不斷改進各種水輪機結構，進一步優化其功能，提高水輪機對于水資源的利用率，從而使水輪機更好地造福于人類社會。

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